林莽等-PNAS:放射性硫同位素示蹤太陽活動(dòng)
太陽是太陽系的主要能量來源,控制著地球的氣候和水文系統(tǒng),從而維持地球表生環(huán)境的生命活動(dòng)和宜居性。重建過去的太陽活動(dòng)歷史,對(duì)評(píng)估異常太陽活動(dòng)的強(qiáng)度和頻率,預(yù)測其對(duì)宇航員、現(xiàn)代科技通訊和生態(tài)系統(tǒng)的影響都有重要意義。高能宇宙射線轟擊地球大氣可以產(chǎn)生放射性同位素(又稱宇生核素,如碳14、鈹10等),這些宇生核素存在于地球系統(tǒng)的多個(gè)圈層(如大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈等)。由于太陽活動(dòng)強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)進(jìn)入太陽系的銀河系宇宙射線強(qiáng)度,影響宇生核素在地球大氣中的產(chǎn)率(圖1),因此我們可以通過測量宇生核素在冰芯、樹輪、沉積物等載體中的含量重建過去的太陽活動(dòng)。
最近,Heaton等(2021)在《Science》上發(fā)表綜述文章指出,隨著碳14加速質(zhì)譜分析技術(shù)的高速發(fā)展,高分辨率分析可以精準(zhǔn)鑒別年際尺度的太陽活動(dòng)異常(如太陽質(zhì)子事件),甚至可以重建地球磁場變化、超新星爆發(fā)等行星和天文極端事件。雖然該領(lǐng)域未來有望蓬勃發(fā)展,但最近研究發(fā)現(xiàn),不同宇生核素、不同載體、不同區(qū)域的記錄在同一時(shí)期并不一致,造成甚多爭論。產(chǎn)生爭論的原因之一,是宇生核素在大氣中的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化過程和跨圈層的傳輸、保存過程十分復(fù)雜,現(xiàn)今模型難以準(zhǔn)確模擬。
針對(duì)該問題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林莽研究員提出,被學(xué)界忽略的放射性硫同位素(硫35,半衰期約87天)可能是重要的破解手段之一。林莽研究員整合了第24太陽周期(2008-2019年)的大氣硫酸鹽硫35長期觀測數(shù)據(jù)(Priyardashi et al., 2012; Lin et al., 2016, 2018),發(fā)現(xiàn)硫35的長期變化與太陽活動(dòng)11年周期吻合,證明了硫35是太陽活動(dòng)的忠實(shí)記錄者??紤]到2015-2016年是近百年最強(qiáng)烈和持久的厄爾尼諾事件,林莽研究員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),該極端事件引起的區(qū)域大氣環(huán)流變化可改變近地面的硫35含量,類似的極端氣候影響在解讀其他宇生核素記錄時(shí)必須被慎重考慮。
鑒于大氣含硫物質(zhì)對(duì)酸雨、人體健康、氣候變化的影響,硫在大氣科學(xué)的研究遠(yuǎn)比鈹?shù)仍刎S富和深入,使用大氣化學(xué)傳輸模型可對(duì)硫35在大氣中的轉(zhuǎn)化、傳輸和沉降過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。通過硫35觀測數(shù)據(jù)的制約,有望進(jìn)一步改善模型對(duì)鈹7、鈹10、碳14等宇生核素的大氣過程模擬。另外,現(xiàn)今宇生核素產(chǎn)率模型并沒有考慮硫35,因此,硫35觀測數(shù)據(jù)可為驗(yàn)證這些核化學(xué)模型提供新的制約。林莽研究員建議核化學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地球化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家聯(lián)手,構(gòu)建統(tǒng)一的多圈層宇生核素化學(xué)傳輸模型。該研究對(duì)使用宇生核素準(zhǔn)確重建過去的天文、地磁和氣候事件,預(yù)測未來類似的極端事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度,以及評(píng)估其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類科技的影響均有重要意義。

圖1. 太陽活動(dòng)影響地球大氣放射性硫同位素濃度的示意圖。太陽活動(dòng)強(qiáng)烈(太陽黑子增多)時(shí),太陽風(fēng)較強(qiáng),進(jìn)入太陽系的銀河系宇宙射線強(qiáng)度變?nèi)酰虼擞钌怂禺a(chǎn)率變小。
研究成果最近以“Cosmogenic radiosulfur tracking of solar activity and the strong and long-lasting El Nino Events”為題,在綜合期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上在線刊出,林莽研究員是論文的第一作者和唯一通訊作者,加州大學(xué)圣地亞哥分校Thiemens教授為第二作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(42021002)、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目(ZDBS‐LY‐DQC035)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室重大專項(xiàng)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(GML2019ZD0308)和珠江人才計(jì)劃(2019QN01L150)的支持。

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